【摘 要】
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二氧化锡(Sn O2)具有理论比容量高、工作电位低、价廉易得、环境友好等优点,是一种新型锂离子电池负极材料。然而,Sn O2负极的电导率低,在充放电过程中存在严重的体积膨胀效应,使得其循环和倍率性能较差,限制了其实际应用。将Sn O2纳米化并利用纳米多孔碳材料对其进行结构限域,可以有效地抑制Sn O2的体积膨胀并提高材料导电性。木质素是自然界中含量第二高的天然有机高分子聚合物,分子中含碳量约为60
【基金项目】
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国家重点研发计划(2018YFB1501503);
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二氧化锡(Sn O2)具有理论比容量高、工作电位低、价廉易得、环境友好等优点,是一种新型锂离子电池负极材料。然而,Sn O2负极的电导率低,在充放电过程中存在严重的体积膨胀效应,使得其循环和倍率性能较差,限制了其实际应用。将Sn O2纳米化并利用纳米多孔碳材料对其进行结构限域,可以有效地抑制Sn O2的体积膨胀并提高材料导电性。木质素是自然界中含量第二高的天然有机高分子聚合物,分子中含碳量约为60%,具有独特的三维网络结构,利用木质素的结构特性可实现木质素纳米多孔炭材料的合成。木质素纳米多孔炭材料具有结构稳定、导电性能好的优点,可用做导电碳基质负载二氧化锡制备木质素纳米多孔炭/二氧化锡复合材料,这种复合材料可作为一种高容量、高倍率、循环稳定性好的锂离子电池负极材料,具有较好的应用前景。因此,木质素纳米多孔炭/二氧化锡复合材料的制备工艺、储锂性能及相关机理研究具有重要的意义。本文以工业酶解木质素为原料,通过模板法合成了三维(3D)的木质素纳米多孔炭(LPC)和二维(2D)的木质素多孔炭纳米片(LSC或OLSC),将它们用做碳基质,分别采用球磨法和水热法制备了一系列木质素纳米多孔炭/二氧化锡复合材料。由于其独特的组成和结构特性,所制备的复合材料均表现出了优异的储锂性能。主要结论如下:(1)分别以三维的LPC和二维的LSC为碳基质,纳米Sn O2为活性物质,通过球磨法制备了LPC/Sn O2-7:3和LSC/Sn O2-7:3复合物,比表面积分别为283 m~2?g-1和473m~2?g-1,孔容分别为0.13 cm~3?g-1和0.60 cm~3?g-1,其中LSC/Sn O2-7:3中LSC由于无法承受高速球磨下的大剪切应力而碎片化,导致Sn O2在LSC中分散性较差,团聚较严重,而LPC/Sn O2-7:3中50 nm左右大小的Sn O2均匀分散在LPC的多孔碳骨架中。作为锂离子电池负极时,LPC/Sn O2-7:3和LSC/Sn O2-7:3在200 m A?g-1下循环100次后的可逆比容量分别为759 m Ah?g-1和476 m Ah?g-1,在1000 m A?g-1下的可逆比容量分别为417m Ah?g-1和276 m Ah?g-1,而纳米Sn O2在200 m A?g-1下循环100次后的可逆比容量仅有152 m Ah?g-1。(2)以三维的LPC为碳基质,控制投料比在水热条件下制备了一系列超细纳米Sn O2原位生长于LPC孔道结构中的复合物LPC@Sn O2-X,复合物中Sn O2的质量含量为23%-63%,Sn O2的颗粒大小为5 nm左右,随着复合物中Sn O2含量降低,复合物的比表面积和孔容增大,其比表面积为239-542 m~2?g-1,孔容为0.35-0.84 cm~3?g-1。作为锂离子电池负极时,LPC@Sn O2-34%具有最佳的储锂性能,在200 m A?g-1下循环100次后的可逆比容量为1036 m Ah?g-1,在1000 m A?g-1下循环350次后的可逆比容量为707m Ah?g-1。LPC@Sn O2-34%在200m A?g-1下循环100次后的可逆比容量相较于LPC与Sn O2的球磨复合物LPC/Sn O2-7:3提升了36.5%。(3)以二维的LSC的表面氧化改性产物OLSC作为碳基质,控制投料比在水热条件下制备了一系列纳米Sn O2原位生长于OLSC表面及其多孔结构中的复合物r OLSC@Sn O2-X,复合物中Sn O2的质量含量为24%-70%,Sn O2的颗粒大小为5 nm左右,随着复合物中Sn O2含量降低,复合物的比表面积和孔容增大,其比表面积为167-303 m~2?g-1,孔容为0.15-0.29 cm~3?g-1。作为锂离子电池负极时,r OLSC@Sn O2-38%具有最佳的储锂性能,在200 m A?g-1下循环100次后可逆比容量为1068 m Ah?g-1,在1000m A?g-1下循环350次可逆比容量为767 m Ah?g-1。r OLSC@Sn O2-38%在200 m A?g-1下循环100次后的可逆比容量相较于LSC@Sn O2-30%和LSC与纳米Sn O2的球磨复合物LSC/Sn O2-7:3分别提升了59.4%和124.4%。
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